JP4542041B2 - 固体撮像装置およびこれを用いたカメラ - Google Patents
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Description
図2は、固体撮像装置900のトランジスタを駆動する駆動タイミングを示す図である。
時刻t3において、光を電気信号に変換するフォトダイオードPDに蓄積された電荷をTRANパルスをONにしフローティングディフュージョンFDに転送する。フローティングディフュージョンFDの電位がVDDレベルからΔV1変化することでSFからの信号(図1のノードSIG1)もΔV2だけ変化し、個々のSFが持つ閾値ばらつきをキャンセルされた信号が後段のノイズキャンセル部40の容量C41の一端(図1のノードSIG2)にも与えられる。さらに容量C41の他端の信号(図1のノードSIG3)もΔV2と同程度の信号分変化するが、このとき、同じノードに接続している容量C42との容量分配が発生し、実際の信号変化分は、ΔV2にC41/(C41+C42)を乗算した信号量ΔV3まで減少を起こす。
時刻t3において、TRANパルスにより転送トランジスタQ11をONにし、光を電気信号に変換するフォトダイオードPDに蓄積された電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する。フローティングディフュージョンFDの電位がVDDレベルからΔV1変化することでソースフォロアSFからの信号(図1のノードSIG1)もΔV2だけ変化し、個々のソースフォロアSFが持つ閾値ばらつきをキャンセルされた信号が後段のノイズキャンセル部40のクランプ容量C41の一端(図1のノードSIG2)にも与えられる。さらにクランプ容量C41の他端の信号(図1のノードSIG3)もΔV2と同程度の信号分変化するが、このとき、同じノードに接続しているクランプ容量C41との容量分配が発生し、実際の信号変化分は、ΔV2にC41/(C41+C42)を乗算した信号量ΔV3まで減少を起こす。
フローティングディフュージョンFDをゲートとするSFからの信号をノイズキャンセル部40の容量C41の一端に与えるが、このときSFからの出力信号ΔV2(図1のノードSIG1)はフローティングディフュージョンFDの電圧変化分ΔV1の0.8〜0.9倍程度に減少してしまう。さらにノイズキャンセル部40の容量C41と容量C42とで容量分配が発生してしまい、検出すべき信号変化分(図1のノードSIG3)はΔV2にC41/(C41+C42)を乗算した信号量ΔV3まで減少してしまう。さらに信号出力部50のHSELパルスによって、容量C42に充電された信号ΔV3が水平信号線に読み出されるが、ここでも水平信号線寄生容量C51が無視できず、検出電圧はΔV3にC42/(C42+C51)を乗算した信号量にまで減少した信号(図1のノードSIG4)となってしまう。すなわち固体撮像装置としては、感度・飽和出力が極端に低い部類の素子になり、S/N比が悪くなっている。
また、本発明に係る固体撮像装置においては、前記列増幅手段は、反転増幅器と、前記反転増幅器の入力端と出力端との間に設けられたスイッチ手段とを備えることを特徴とすることができる。
また、本発明に係る固体撮像装置においては、前記雑音信号除去手段は、コンデンサを有し、前記コンデンサは、N型MOS容量で構成されることを特徴とすることができる。
また、本発明に係る固体撮像装置においては、前記固体撮像装置が備えるトランジスタは、すべてN型MOSトランジスタで構成されることを特徴とすることができる。
また、本発明に係る固体撮像装置においては、前記固体撮像装置は、さらに前記各列増幅手段が有する負荷回路に電源電圧と、当該電源電圧より高い昇圧電圧を印加する昇圧電圧印加手段とを備えることを特徴とすることができる。
また、本発明に係る固体撮像装置においては、前記各列増幅手段は、さらにドライブ用の第2のMOSトランジスタを備え、前記第2のMOSトランジスタのドレインに前記第1のMOSトランジスタのソースを接続し、当該第2のMOSトランジスタのゲートに前記列に属する画素部の増幅手段からの出力電圧をクランプ用容量を介して印加し、前記第1および第2のMOSトランジスタの抵抗値の比により定められる増幅度で、前記列に属する画素部の増幅手段からの出力電圧を増幅することを特徴とすることもできる。
また、本発明に係る固体撮像装置においては、前記固体撮像装置は、さらに前記雑音信号除去手段からの出力電圧に対して、インピーダンスを変換するインピーダンス変換手段を備えることを特徴とすることができる。
また、本発明に係る固体撮像装置においては、前記固体撮像装置が備えるトランジスタは、すべてNMOSトランジスタにより構成されることを特徴とすることもできる。
図3は、本発明の実施の形態1に係るP型MOS形成行程での熱処理による画素特性の劣化を防止したN型MOSのみで回路構成された回路概念図である。なお、同図において、図1に示される固体撮像装置900と対応する構成部分に同じ番号を付し、その詳細な説明を省略する。
時刻t3において、光を電気信号に変換するフォトダイオードPDに蓄積された電荷をTRANパルスをONにしてフローティングディフュージョンFDに転送する。フローティングディフュージョンFDの電位がVDDレベルからΔV1だけ変化することでSFからの信号(図3のノードSIG11)もΔV2だけ変化し、個々のSFが持つ閾値ばらつきをキャンセルされた信号が後段に接続するコラムアンプ70に入力されてN倍の電圧に増幅され、ノイズキャンセル部40の容量C41の一端(図3のノードSIG13a)に与えられる。これにより容量C41の他端の信号(図3のノードSIG14a)もΔV2のN倍増幅したのと同程度の信号分が変化することになる。このとき、同じノードに接続している容量C42との容量分配が発生したときの信号変化分は、ΔV2のN倍増幅した信号にC41/(C41+C42)を乗算した信号量となり、従来回路での信号変化分ΔV3のN倍増幅した電圧まで信号量を増加させることができる。
時刻t1において、RESETパルスをONにしてフローティングディフュージョンFDにVDDを与える。このときフローティングディフュージョンFDをゲートとするSFからの信号(図4のノードSIG21)をVSELパルスをONにして、後段に接続する画素信号増幅部60aの容量CAに入力する。このとき画素信号増幅部60a内のAMPCLパルスをONにしておき、後段の反転アンプのトランジスタQ72の閾値電圧とで、容量CAを充電する。このとき、AMPCLパルスをONにすることでトランジスタQ72のドレインとゲートとを同一電圧とし、トランジスタQ72の閾値電圧と画素信号増幅部60aに入力される黒レベル信号とにより初期状態を設定する。これにより、列毎のトランジスタQ72の閾値ばらつきもキャンセルできる。なお、AMPCLパルスは、垂直ブランキング期間内でのみパルスを与えることで、回路のスイッチングノイズを大幅に削減させることもできる。
図6は、本発明の実施の形態2に係るP型MOS形成行程での熱処理による画素特性の劣化を防止したNMOS型固体撮像装置の回路を示している。本発明の実施の形態2に係る固体撮像装置130は、信号出力部50aの入力部にインピーダンス変換用ソースフォロア回路を追加しているところが実施の形態1と異なる。
時刻t1において、RESETパルスをONにしてフローティングディフュージョンFDにVDDを与える。このときフローティングディフュージョンFDをゲートとするSFからの信号(図6のノードSIG41)を、VSELパルスをONにして後段に接続する画素信号増幅部60aの容量CAに入力する。このとき画素信号増幅部60a内のAMPCLパルスをONにしておき、後段の反転アンプのトランジスタQ72の閾値電圧とで、容量CAを充電する。このとき、AMPCLパルスをONにすることでトランジスタQ72のドレインとゲートとを同一電圧とし、トランジスタQ72の閾値電圧と画素信号増幅部60aに入力される黒レベル信号とにより初期状態を設定する。これにより、列毎のトランジスタQ72の閾値ばらつきもキャンセルできる。なお、AMPCLパルスは、垂直ブランキング期間内でのみパルスを与えることで、回路のスイッチングノイズを大幅に削減させることもできる。
図8は、本発明の実施の形態3に係るP型MOS形成行程での熱処理による画素特性の劣化を防止したNMOS型固体撮像装置の回路概念図である。
図9は、本発明の実施の形態4に係るN型MOSのみで回路構成された回路概念図である。
コラムアンプ70は、ソースフォロアSFからの電圧をN倍に増幅して出力するものであり、さらに昇圧回路80で発生した昇圧電圧を利用することによって、直線性を向上させてダイナミックレンジを広げている。
図10は、固体撮像装置210のトランジスタを駆動する駆動タイミングを示す図である。
図11は、本発明の実施の形態4に係る固体撮像装置を具体化した回路例を示す図である。
図12に示されるように、チャージポンプ回路80aは、チャージアップ用の容量C81,C82と、整流用の容量C83,C84と、整流用のダイオードD81,D82と、電源電圧VDDを容量C81に充電するトランジスタQ81と、容量C83,C84に充電された電荷を抜くためのトランジスタQ82,Q83とから構成され、一般のMOS型固体撮像装置で使用する水平走査用回路に用いられる高速の駆動パルスH1,H2を利用している。
まず、スタートパルスパルスHSTにより、容量C83,C84に充電された電荷を抜く。そして、駆動用のパルスH2によりトランジスタQ81をONすることにより、容量C82に電源電圧VDDを充電し、駆動パルスH1,H2により容量C81,C82の電位を押し上げることで、短時間で電源電圧VDDより高い昇圧電圧を生成する。
図14は、固体撮像装置220のトランジスタを駆動する駆動タイミングを示す図である。
図15は、本発明の実施の形態4に係る固体撮像装置210を具体化した他の固体撮像装置の回路例を示す図である。
図17は、本発明の実施の形態7に係るNMOS型固体撮像装置の回路概念図を示す図である。
図18は、本発明の実施の形態8に係る固体撮像装置の具体的な回路を示す図である。
この図18に示される固体撮像装置250は、インピーダンス変換回路51としてソースフォロア51aを使った例である。
時刻t1において、RESETパルスによりリセットトランジスタQ12をONにしてフローティングディフュージョンFDに電源電圧VDDを与える。このとき、VSELパルスにより行選択トランジスタQ14をONにして、フローティングディフュージョンFDをゲートとするソースフォロアSFからの信号(図18のノードSIG21)を後段の画素信号増幅部60aの容量CAに入力する。このとき、AMPCLパルスにより画素信号増幅部60aのアンプリセットトランジスタQ73をONにしておき、後段の負荷トランジスタQ21のゲートに昇圧電圧を印加し、入出力特性を改善している反転増幅コラムアンプ71のドライブトランジスタQ72の閾値電圧とで、容量CAを充電する。このとき、AMPCLパルスによりアンプリセットトランジスタQ73をONにすることでドライブトランジスタQ72のドレインとゲートとを同一電圧とし、ドライブトランジスタQ72の閾値電圧と画素信号増幅部60aに入力される黒レベル信号とにより初期状態を設定する。これにより、列毎のドライブトランジスタQ72の閾値ばらつきもキャンセルできる。なお、AMPCLパルスは、垂直ブランキング期間内でのみパルスを与えることで、回路のスイッチングノイズを大幅に削減させることもできる。
図20は、本発明の実施の形態9に係る固体撮像装置の回路概念図である。
画素部10のQ13とQ21で形成される増幅手段の周波数帯域よりも、画素信号増幅部60の列増幅手段(コラムアンプ70)の周波数帯域が低周波数側になるように設計してもよい。
40 ノイズキャンセル部
50,50a 信号出力部
60,60a,60b 画素信号増幅部
70,70a,70b コラムアンプ(列増幅部)
71 反転増幅コラムアンプ(列増幅部)
80 昇圧回路
80a チャージポンプ回路
110,120,130,140,210,
220,230,240,250,260 固体撮像装置
PD フォトダイオード
FD フローティングディフュージョン
COMP コンパレータ
Q52,Q71,Q72 トランジスタ
C41,C42,C51,CA クランプ容量
Claims (23)
- 2次元画像を取得するための固体撮像装置であって、
入射光を電荷に変換する光電変換手段と、前記電荷を電圧に変換して出力する増幅手段とを含み、2次元配列される複数の画素部と、
列毎に設けられ、当該列に属する画素部の増幅手段からの出力電圧に含まれる雑音を除去する複数の雑音信号除去手段と、
前記列に属する画素部の増幅手段からの出力電圧を増幅し、増幅した電圧を当該列に対応する雑音信号除去手段に出力する複数の列増幅手段とを備え、
前記複数の画素部と、前記複数の雑音信号除去手段と、前記複数の列増幅手段とが、すべてN型MOS回路で構成され、
前記固体撮像装置は、さらに
前記各列増幅手段が有する負荷回路に電源電圧と、当該電源電圧より高い昇圧電圧を印加する昇圧電圧印加手段を備える
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記固体撮像装置は、さらに、
前記雑音信号除去手段からの出力電圧に対して、インピーダンスを変換するインピーダンス変換手段と、
前記インピーダンス変換手段からの出力電圧を増幅する出力信号増幅手段とを備え、
前記インピーダンス変換手段と、前記出力信号増幅手段とが、すべてN型MOS回路で構成されている
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記インピーダンス変換手段は、ソースフォロア回路である
ことを特徴とする請求項2記載の固体撮像装置。 - 前記列増幅手段は、
反転増幅器と、
前記反転増幅器の入力端と出力端との間に設けられたスイッチ手段と
を備えることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記列増幅手段は、
異なる増幅度を有する複数の列増幅回路と、
前記入力電圧のレベルに応じて、前記複数の列増幅回路の一つを選択する選択回路と
を備えることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記雑音信号除去手段は、容量分配方式を用いる
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記雑音信号除去手段は、コンデンサを有し、
前記コンデンサは、N型MOS容量で構成される
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記昇圧電圧印加手段は、チャージポンプ方式で電源電圧を昇圧するチャージポンプ回路である
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記チャージポンプ回路は、列を選択する駆動パルスを用いて電源電圧を昇圧する
ことを特徴とする請求項8記載の固体撮像装置。 - 前記昇圧電圧印加手段は、前記各列増幅手段内部に設けられ、前記負荷回路に電源電圧と当該電源電圧より高い昇圧電圧を印加するブートストラップ回路である
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記負荷回路は、負荷用の第1のMOSトランジスタであり、
前記第1のMOSトランジスタのドレインに前記電源電圧を印加し、当該第1のMOSトランジスタのゲートに前記昇圧電圧を印加するようにした
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記各列増幅手段は、さらにドライブ用の第2のMOSトランジスタを備え、
前記第2のMOSトランジスタのドレインに前記第1のMOSトランジスタのソースを接続し、当該第2のMOSトランジスタのゲートに前記列に属する画素部の増幅手段からの出力電圧をクランプ用容量を介して印加し、
前記第1および第2のMOSトランジスタの抵抗値の比により定められる増幅度で、前記列に属する画素部の増幅手段からの出力電圧を増幅する
ことを特徴とする請求項11記載の固体撮像装置。 - 前記各列増幅手段は、
前記列に属する画素部の増幅手段からの出力電圧の入力レベルに応じて増幅度を変える
ことを特徴とする請求項12記載の固体撮像装置。 - 前記各列増幅手段は、
増幅度が異なる複数の列増幅手段と、
前記列に属する画素部の増幅手段からの出力電圧の入力レベルに応じて、前記各列増幅手段の一つを選択する選択手段とを備える
ことを特徴とする請求項12記載の固体撮像装置。 - 前記列増幅手段は、
前記列に属する画素部の増幅手段からの出力電圧の入力レベルが低くなるにつれて、前記増幅度を大きくする
ことを特徴とする請求項12記載の固体撮像装置。 - 前記各列増幅手段は、さらに前記第2のMOSトランジスタのドレインとゲートとを同一電圧とするための第3のMOSトランジスタを備え、
前記第2のMOSトランジスタの閾値電圧と前記画素部の増幅手段からクランプ用容量を介して前記列増幅手段に入力される黒レベル信号とにより初期状態を設定する
ことを特徴とする請求項12記載の固体撮像装置。 - 前記各列増幅手段は、
必要動作期間以外に、前記第2のMOSトランジスタの駆動電流を遮断させる遮断手段を備える
ことを特徴とする請求項12記載の固体撮像装置。 - 前記固体撮像装置は、さらに前記雑音信号除去手段からの出力電圧に対して、インピーダンスを変換するインピーダンス変換手段を備える
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記インピーダンス変換手段は、
NMOSトランジスタを用いて構成されるソースフォロア回路である
ことを特徴とする請求項18記載の固体撮像装置。 - 前記雑音信号除去手段は、コンデンサを有し、
前記コンデンサは、N型MOS容量で構成される
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記列増幅手段は、前記画素部の増幅手段の周波数帯域よりも低周波数側になるように構成され、雑音周波数に帯域制限をかける
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記雑音除去手段は、前記画素部の増幅手段の周波数帯域よりも低周波数側になるように構成され、雑音周波数に帯域制限をかける
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 請求項1記載の固体撮像装置を備えることを特徴とするカメラ。
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